从观察牵牛花得到的启发_教法学法-查字典物理网

经全国中小学教材审定委员会2001年审查通过的人教版初中《物理》第二册教科书（暂且称其为“旧教科书”）的封面彩图、经全国中小学教材审定委员会2001年初审通过的人教版义务教育课程标准实验教科书《物理》八年级下册（暂且称其为“新教科书”）第八章“电与磁”第二节“电生磁”的“动手动脑学物理”栏目中的彩色图，都是同一张彩色照片──牵牛花的茎。“旧教科书”封四中的“封面说明”是：“这株牵牛花茎的缠绕方向与它的生长方向有什么关系？”“新教科书”以这张照片提出了这样三个问题：“观察自然界中缠绕植物的茎和攀援植物的卷须，它们的缠绕方向和生长方向有什么关系？这跟螺线管中电流的方向与其北极方向的关系是否相同？对于不同的植物，这种关系都一样吗？”

当我在中学第一次面对“旧教科书”时，我不时的纳闷：编者为什么将这张照片选作封面图？封四中的“封面说明”针对这一植物照片提出的问题与物理有什么关系？我对此一直在思考，一直在寻找着答案“新教科书”在学完“电生磁”后，以这张照片提出的以上三个问题。使我从中得到启发：牵牛花茎的缠绕方向与它的生长方向的螺旋关系似乎与物理有联系。特别是与物理学中的“电与磁”联系很大，同时也与我们的日常生活联系很大。这种关系大到宏观宇宙空间，小到微观世界。可见，编者独具匠心。我们只有独具慧眼。才可略知这张照片中蕴藏着这种螺旋关系的深刻含义。

一、自然界中缠绕植物的茎和攀援植物的卷须。它们的缠绕方向和生长方向有什么关系

我们日常生活中也常见到一些参天大树，而这些树之所以高大，就是这里我们所要讲的植物的一种器官──茎的发达的缘故，一般乔木类植物都是这种茎。我们把这种背地面而生的茎叫做直立茎。然而，植物并不都是直立、高大的，有些植物的茎本身细长而柔软，不能直立只能缠绕在其他物体上向上生长，这种茎叫做缠绕茎。如牵牛花、金银花的茎。另外，还有一些植物如黄瓜、葡萄等，它们的茎虽然也是细长柔软的，但它们既不能直立生长，也不能缠绕到别的物体上，可是它们却可以借着茎上生出的卷须盘卷在别的物体上从而使茎向高处生长，这种茎叫做攀援茎。上面我们所谈的茎都起着连接根和叶的桥梁的作用，并在根和叶之间不停地传送着营养物质。

大家都知道，植物的叶子有向光性运动，植物的茎总是向上生长有“负向地性运动”，以便得到阳光而进行光合作用，根总是向下生长有“向地性运动”，以便得到水和肥料，植物的这种向光、向地和负向地性等运动，统称为“向性运动”。植物之所以会产生向性运动，主要是生长素作用的结果。攀援植物的卷须和缠绕茎，在接触支持物的一面生长素含量少，生长较慢；而对面含生长素多，生长较快，因此它们就螺旋式地缠绕在支持物上。

牵牛花（Ipomoea Nil），别名子午钟、喇叭花、尊金钟。旋花科。一年生缠绕茎草本植物，具短毛。叶为心脏形，通常三裂。秋季开花，花冠漏斗形，上面有5个浅浅的裂隙，花色有紫红、粉红、白等色。花期6～10月，一般清晨开放，中午闭合。原产热带美洲，我国各地普遍栽培供观赏。性喜阳光，播种一周即可发芽，生长茂盛，分枝多，常种植于庭院、篱边、棚下成绿帘花屏。种子卵圆形，有黑色、白色，可入药，治水肿腹胀、大小便不利等症。

牵牛花的茎缠绕本领非凡，它利用茎尖的“运动”能够依附支架不断向上爬攀。茎的顶端10cm～15cm一段，由于各个方向的表面生长速度不一致，能在空间不断改变自己的位置，而且始终以一定的方向旋转着，即做有一定方向的“转头运动”，并以此为半径，在其圆周内遇到依附物后，就会把依附物缠绕起来，攀向高处去争取阳光和雨露。有趣的是，牵牛花（还有扁豆、马兜铃、山药等）向左旋转缠绕而上，其缠绕方向为反时针方向旋转，即它的缠绕方向和生长方向有右手性的规律（历史上达尔文、华莱士等大博物学家、生物学家都观察到攀援植物的手性。达尔文专门写过《攀援植物的运动和习性》一书，书中描述了42种攀援植物，其中11种是左旋的，这个观察结果和我们今天的观察很接近；而有些植物如金银花、菟丝花、鸡血藤等始终向右旋转，其缠绕方向为顺时针方向旋转，即它的缠绕方向和生长方向有左手性的规律；而何首乌却是“随心所欲”地转头，有时左旋，有时右旋，也就是它的缠绕方向和生长方向是无手性的。

那么，有手性的这些缠绕茎植物为什么会有固定的缠绕方向呢？科学家最新研究表明，植物旋转缠绕的方向特性，是它们各自的祖先遗传下来的本能。远在亿万年以前，有两种攀援植物的始祖，一种生长在南半球，一种生长在北半球。为了获得更多的阳光和空间，使其生长发育得更好，它们茎的顶端就随时朝向东升西落的太阳。这样，生长在南半球植物的茎就向右旋转，生长在北半球植物的茎则向左旋转。经过漫长的适应、进化过程，它们便退步形成了各自旋转缠绕的固定的方向。以后，它们虽被移植到不同的地理位置，但其旋转缠绕的方向特性却被遗传下来而固定不变。而起源于赤道附近的单援植物，由于太阳当空，它们就不需要随太阳转动，因而其缠绕方向没有固定，可随意旋转缠绕。可见，分清植物的左旋、右旋在实践中具有重要意义。若错把左旋植物以右旋方式缠绕在支架上，则很快就会自行脱落；若绕的方向与其习性相同，则会缠得更紧，顺利向上攀援，生长发育良好。

二、缠绕植物的茎的缠绕方向和生长方向跟螺线管中电流的方向与其北极方向的关系是否相同？

“新教科书”在“电生磁”这一节中，首先通过奥斯特实验现象的直观演示，使学生观察到“通电直导线的周围有磁场，磁场的方向跟电流的方向有关”的电磁现象，同时使学生确信电流及其周围的磁场是同时存在而不可分的事实，以建立起电流的磁效应的概念。然后让学生把导线缠绕成螺线管，从各条导线产生的磁场叠加在一起，磁场就会强得多的实验事实入手，引出问题，让学生自己去探究通电螺线管外部的磁场与哪种磁体相似，接着再探究并总结、表述通电螺线管两极的极性与电流方向之间的关系，以培养学生的空间想象力和表述能力。之后又让学生实验、探究电磁铁磁性的强弱与哪些因素有关，以培养学生动手动脑的实际应用和研究能力。笔者认为，在以上教学活动结束之后，并不要求活动的主导者向活动的主体提示或给出安培定则，而是通过学生完成“动手动脑学物理”活动，观察和研究以牵牛花的茎的照片提出的问题。总结并表述出安培定则的内容：用右手握住螺旋管，让弯曲的四指指向电流的方向，与四指垂直的大拇指所指的方向就是螺旋管的北极、这是判断通电螺线管磁极的方法，这个方法叫做安培定则。一孔之见，“新教科书”讲完“电生磁”后，并没有直接给出这一定则，其目的恐怕就是让学生学习手性的概念在物理中的应用，学到螺旋的手性意义的科学知识，通过“动手动脑学物理”，体会、领悟科学的方法──通电螺线管的右手螺旋定则。同时，让学生认识自然，探索自然的奥秘，还要保护自然，利用自然，使它为人类造福。可见，新课标教材的“新”，不仅体现在教学目标、知识内容和教材的结构上，更重要的体现在理念上。它倡导探究式的学习，强调科学与实际、科学与社会的联系。让学生在有趣的物理学习中，学到科学知识，体验、领悟科学的方法，逐步树立科学的价值观。

三、螺旋结构是自然界最普遍的一种形状

奇妙的螺旋形是自然界中最普遍、最基本的物质运动形式。这种螺旋现象对于认识宇宙形态有着重要的启迪作用，大至涡旋星系，小至DNA分子。都是在这种螺旋线中产生。然而，为何大自然对螺旋结构如此偏爱呢？

从本质上来看，螺旋结构是在一个拥挤的空间，例如一个生物细胞稠密的环境里，长分子链经常采用规则的螺旋状构造，这不仅让信息能够紧密地结合其中，而且能够形成一个表面，允许其他微粒在一定的间隔处与它相结合。例如，DNA的双螺旋结构允许进行DNA的转录和修复。采用螺旋结构是受空间的局限，例如DNA由于受到细胞内的空间局限而采用双螺旋结构，就像是公寓由于空间局限而采用螺旋梯的设计一样。

在生命科学中，生命遗传物质──脱氧核糖核酸（DNA）的结构多数都是右旋的双螺旋结构。一些生物，如螺旋形细菌、蔓生植物向上盘绕以及海螺等均以右旋占绝大多数。

在粒子世界中，微观粒子的自旋也有左旋和右旋之分。神奇的超导现象正是由于电子与振动晶格的相互作用使具有相反方向自旋和角动量的电子结成“超导态”而产生的，在这个意义上说，是电子左旋和右旋的合作成就了超导现象。

在化学中，有一些化合物，分子的结构不同，化学性质也不同。如分子结构相对简单的矿物的晶格就有左旋和右旋的。用眼睛观察它们的结晶体，可明显分辩出晶格的旋向。比如，左旋分子结构的薄荷脑具有独特的香味，而右旋分子结构的薄荷脑则几乎没有这种香味。构成味精的谷氨酸钠分子左旋起调味作用，右旋则无调味作用。

在药品中，药品名称相同但手性构型不同时，药性也不同。如四米唑的左旋体是驱蠕虫药，而右旋体是抗抑郁药；甲状腺素钠的左旋体是甲状腺激素，而右旋体是降血脂药；氯霉素分子向右旅有药性，向左旋则无药性；左旋多巴对早期帕金森氏病有效，右旋多巴可引起血和血尿中血红蛋白含量增加。

在日常生活中，我们也总会碰到许多的螺旋形物品。常见的连接件螺栓，它的螺纹多是右旋，螺纹右旋是为了便于右手安装时用力（大多数人为右撇子）。而绞拧的绳索则多是左旋。绳索左旋则是因为单股用右手捻，右手捻自然成右旋，并合后就绞成左旋。

在气象学中，在北半球，低压区形成左旋的气旋，高压区形成右旋的气旋。南半球则正好相反。这是受地球自转影响的原因。破坏力极大的飓风和龙卷风都是旋转的气流，有的是左旋，有的是右旋。

在宇宙中，物质运动必然会产生磁场，天体和磁场是不可分割的整体，只要天体存在，它周围就一定有磁场存在。各类物质结构由于运动方向的不同，运动速度的差异，会产生无数大小不一、强弱不同的磁场旋涡，这种磁场旋涡就是神秘的“黑洞”。由于磁场具有力和能的特征，所以“黑洞”虽然构成物质密度很小，但因为它有极快的旋转运动速度，当组成它的物质凝聚向一个方向做有序运动时，便产生很大的能量和极强的引力。宇宙中一些分散的呈气态的氢、氧类物质和呈固态的硅、铁类尘埃物质，受“黑洞”吸引力作用，在“黑洞”附近运动方向发生变化，向其中心高速旋进，会形成围绕“黑洞”中心运动的圆形气体尘埃环。国外有报道，哈勃望远镜已拍摄到“黑洞”周围边缘呈翘曲状的尘埃圆盘，这就更形象地证实了“黑洞”的旋涡性质和真实形态以及旋涡多呈漏斗状的特点。如地球上大气运动产生的热带气旋──“台风”，从卫星图上可以清晰地看到“台风”的圆形旋涡状云团。还有江河湖海中的水涡流也是圆形旋涡状的，水涡流同样有很大的能量和吸引力，当物体接近时会被吸引进漩涡之中。

大自然为何偏爱螺旋形结构，答案就是中学语文中的一篇习文。

我爱上了螺旋形

不知从何年何月开始，我通过观察事物的各种现象，发现自然万物都有自己天然的图形。为了求生存，很多生物的身体变成最能适应环境的形状。在千姿百态，纷繁复杂的图形中，最生动、最有魅力的要算螺旋形了。

放眼眺望，哪里有生命，哪里有运动，哪里就有螺旋形的身影。

透过天文望远镜，我看到浩瀚的银河系是个巨大的螺旋形，螺旋形的中心是恒星最密集的部分，称为银核，银核四周聚集着大量的恒星，构成银盘、银河系在旋转，在运动。呵，多么壮观的天体运动！

站在葡萄架下，乍一看，我以为葡萄的枝条和卷须互相纠缠着，杂乱无章。但是仔细一看，枝茎上的一条条卷须，都是螺旋形的，它们巧妙地将叶子摆在朝着阳光源的位置上，让其进入充分的光合作用。螺旋形的卷须呵，扶叶递光，有条不紊。

自然界中的螺旋形，奥妙无穷，人间杰出的美术家也望尘莫及。瞧，公山羊头上螺旋形的犄角，造型何等矫健；暴风把乌云吹成螺旋形，气势何等雄浑；变色龙将长尾巴卷成螺旋形，神态何等悠闲；鹦鹉螺壳上的螺旋彩花纹，结构何等完美；声音从法国号的螺旋形铜管里飘逸而出，音色何等悠扬。……

参考文献

1．陈荣道。怎样画植物，第二版。北京：中国林业出版社，2002

2．欧阳钟灿，刘奇星。从肥皂泡到液晶生物膜。长沙：湖南教育出版社，1994

3．范可，戴立信。科技术语研究，2002．2

4．宇宙“黑洞”的真面目。大众科技报，2001年7月19日第7版